Tài liệu đánh giá ảnh hưởng của kênh fading đối với điều chế không gian

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN TẠ THÁI ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA KÊNH FADING TỚI ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN LUẬN VĂN THẠC SỸ HÀ NỘI - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI LỜI CAM CÔNG TRƢỜNG ĐẠI HỌCĐOAN NGHỆ  Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH FADING TỚI ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN” là công trình nghiên cứu NGUYỄN TẠ THÁI của riêng tôi và đƣợc sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn. Các kết quả trong luận văn này đƣợc nghiên cứu và tổng hợp rút ra từ các tài liệu tham khảo, nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ, thông tin trong các tài liệu tham khảo trên có độ tin cậy cao ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA KÊNH FADING và đã đƣợc chọn lọc kỹ. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về ĐIỀU CHẾ KHÔNG TỚI luận văn của mình. GIAN Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Học viên cao học LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành Nguyễn Tạ : Kỹ thuật Điện tử Thái Mã số : 60520203 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TUẤN HÀ NỘI - 2017 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƢƠNG I: ............................................................................................................... 4 TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO VÀ ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN ..................... 4 1.1 Các hệ thống thông tin không dây ................................................................. 4 1.2 Hệ thống MIMO ............................................................................................... 7 1.2.1 Mô hình MIMO ......................................................................................... 7 1.2.2 Các rằng buộc công suất ........................................................................... 9 1.2.3 Dung lƣợng kênh MIMO ........................................................................ 11 1.2.4 MIMO-STC ............................................................................................ 14 1.2.5 Kết luận .................................................................................................. 21 1.3 Ghép kênh không gian (SM) ......................................................................... 22 1.3.1 Mô hình hệ thống MIMO-SM ................................................................ 23 1.3.2 Các bài toán MIMO-SM ......................................................................... 24 1.4 Kết luận chƣơng ............................................................................................. 25 CHƢƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN .............................. 26 2.1 Kênh truyền tin .............................................................................................. 26 2.1.1 Suy hao đường truyền ............................................................................. 27 2.1.2 Hiện tượng kênh bị che khuất ................................................................. 29 2.1.3 Hiện tượng kênh đa đường ...................................................................... 31 2.1.4 Mô hình tap-delay .................................................................................. 33 2.1.5 Giãn xung do hiệu ứng Doppler ............................................................. 34 2.2 Kênh AWGN .................................................................................................. 37 2.3 Kênh Fading Rayleight ................................................................................. 39 2.3.1 Fading phẳng (Flat Fading) .................................................................. 41 2.3.2 Fading chọn lọc tần số (Frequency-selective fading)............................ 42 2.3.3 Kênh fading phân bố Rayleigh ............................................................... 43 2.3.4 Kênh fading theo phân bố khác .............................................................. 49 2.4 Kết luận chƣơng ............................................................................................ 52 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA KÊNH FADING TỚI ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN ............................................................................. 53 3.1 Giới thiệu ........................................................................................................ 53 3.2 Kịch bản mô phỏng ........................................................................................ 54 3.3. Mô phỏng kênh Fading ................................................................................ 56 3.4 Chƣơng trình mô phỏng: ............................................................................... 60 3.4.1 Giải thuật phát hiện (detected) dựa trên MMSE-VBlast ....................... 60 3.4.2 Kết quả mô phỏng .................................................................................. 62 3.5 Kết luận chƣơng ............................................................................................ 65 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................................. 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 68 DANH MỤC BẢNG BIỂU HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống SISO ............................................................................................ 4 Hình 1.2: Hệ thống MISO .......................................................................................... 6 Hình 1.3: Kênh MIMO với NT anten phát và NR anten thu ....................................... 7 Hình 1.4: Dung lƣợng kênh MIMO ......................................................................... 13 Hình 1.5: Mã khối không gian-thời gian .................................................................. 15 Hình 1.6: Mô hình hệ thống MIMO-Alamouti ........................................................ 17 Hình 1.7: Sơ đồ mã Trellis ....................................................................................... 20 Hình 1.8: Mô tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2 ......................................... 20 Hình 1.9: Lƣới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2 ............................ 21 Hình 1.10: Mô hình hệ thống MIMO-SM................................................................ 22 Hình 1.11:Mô hình MIMO-SM................................................................................ 23 Hình 2.1: Kênh không dây ....................................................................................... 26 Hình 2.2: Hiện tƣợng kênh che khuất ...................................................................... 30 Hình 2.3 Phân bố Lognormal ................................................................................... 30 Hình 2.4: Hiện tƣợng kênh đa đƣờng....................................................................... 31 Hình 2.5 : Suy hao theo khoảng cách....................................................................... 32 Hình 2.6: Xung tại máy thu và máy phát theo các thời điểm khác nhau ................. 33 Hình 2.7 Mô hình hóa tap-delay .............................................................................. 33 Hình 2.8: Hiện ứng Doppler do di chuyển .............................................................. 35 Hình 2.9: Mật độ phổ của tín hiệu thu ..................................................................... 36 Hình 2.10 Hàm mật độ phổ công suất của nhiễu Gauss .......................................... 38 Hình 2.11: Phân loại fading theo chu kỳ và băng thông ......................................... 41 Hình 2.12 Kênh truyền và băng thông kết hợp Bcohor............................................... 41 Hình 2.13 Kênh truyền fading phẳng (Bcohor > W) .................................................. 42 Hình 2.14: Rayleigh Fading .................................................................................... 45 Hình 2.15: Hàm phân bố xác suất Rayleigh............................................................ 46 Hình 2.16: Rician Fading ........................................................................................ 49 Hình 2.17: Hàm phân bố xác suất Rice theo các giá trị k ........................................ 50 Hình 2.18 : Phân bố Nakagami-m ............................................................................ 52 Hình 3.1: Hệ thống MIMO-SM ............................................................................... 53 Hình 3.2 : Flowchat giải thuật mô phỏng................................................................. 55 Hình 3.3: Histogram kênh Raylaeigh và Rician ...................................................... 58 Hình 3.4: So sánh ảnh hƣởng kênh Rayleigh và Ricean Fadinh tín hiệu 16-QAM. 62 Hình 3.5: BER vs. SNR kênh Gauss, MQAM ........................................................ 63 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Từ viết tắt Tiếng anh AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gausse trắng có tính cộng Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit Base Station Trạm cơ sở EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power Công suất bức xạ đẳng hƣớng hiệu dụng ICI Intercarrier Interference Can nhiễu giữa các kênh MISO Multiple Input Single Output Hệ thống nhiều đầu vào 1 đầu ra MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra Maximum Likelihood Demodulation Giải điều chế hợp lý cực đại BER BS MLD Tiếng việt Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ cực đại MRC Mobile Set Thiết bị di động Minimum Mean Square Error Ƣớc lƣợng sai số trung bình bình phƣơng cực tiểu LOS Light of Sight Đƣờng nhìn thẳng LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn – công nghệ di động thế hệ thứ 4 MS MMSE OFDM Orthogonal Frequency Division Hợp kênh phân chia theo tần số Multiplexing trực giao Radio Frequency Tần số vô tuyến SISO Single Input Single Output Hệ thống 1 đầu vào 1 đầu ra SIMO Single Input Multiple Output Hệ thống 1 đầu vào nhiều đầu ra SM Spatial Multiplexing Hợp kênh không gian STC Space–time code Mã không gian - thời gian STTC Space-Time Trellis Code Mã lƣới không gian thời gian STBC Space-Time Block Code Mã khối không gian thời gian SNR Signal-to-noise ratio Tỷ lệ tín hiệu trên ồn Zero Forcing Phƣơng pháp ép không RF ZF LỜI NÓI ĐẦU Trong sự phát triển không ngừng của ngành thông tin và truyền thông, nhất là truyền thông không dây, những dịch vụ đa phƣơng tiện là một yêu cầu tất yếu của đời sống xã hội. Tuy nhiên, những thách thức của công nghệ truyền thông không phải là nhỏ. Nó ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng các dịch vụ đã, đang và sẽ đƣợc cung cấp cho xã hội. Khi mà dịch vụ gia tăng cả về mặt số lƣợng lẫn chất lƣợng thì ảnh hƣởng ấy càng trở nên rõ ràng, nghiêm trọng hơn. Thứ nhất phải kể đến vấn đề sử dụng tần số một cách hiệu quả. Nhƣ đã biết, tần số là nguồn tài nguyên hạn chế và đƣợc hoạch định và quản lý rất chặt chẽ. Mọi hoạt động truyền thông không dây dù ít hay nhiều đều cần đến một dải tần số nhất định để thu-phát tín hiệu. Nâng cao hiệu suất phổ đã là vấn đề “nóng” không chỉ của riêng ai, nay lại càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Thứ hai, việc tăng tốc độ truyền tin nhƣng không thể lơ là việc nâng cao độ tin cậy thông tin nhằm đáp ứng lại những yêu cầu của dịch vụ truyền thông đa phƣơng tiện ngày càng phát triển mạnh mẽ. Một khi tốc độ và độ tin cậy thông tin đƣợc cải thiện, chất lƣợng dịch vụ cũng đƣợc nâng cao. Thứ ba là thách thức đến từ hiện tƣợng fading đa đƣờng gây ra. Trong môi trƣờng truyền thông không dây, tín hiệu phát đến đƣợc nơi thu qua nhiều đƣờng khác nhau do sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ gây nên. Tín hiệu thu đƣợc sẽ gồm nhiều tín hiệu chồng chập mà mức độ thăng giáng cƣờng độ và pha là khác nhau. Xét cho cùng thì đó không phải do nhiễu gây nên, mà đó là một dạng của tín hiệu phát bị biến dạng và nó cũng mang thông tin của tín hiệu phát. Nếu tận dụng đƣợc những thông tin ấy để nâng cao chất lƣợng bên thu thì sẽ tăng đáng kể tỉ số SNR. Một ƣu điểm chính của hệ thống truyền thông không dây là khả năng di động của các thiết bị đầu cuối thông tin. Đó cũng là một thách thức cho quá trình thu. Khi máy thu và máy phát chuyển động tƣơng đối với nhau bằng vận tốc khác không, tần số tại máy thu sẽ bị xê dịch so với tần số gốc một lƣợng nhất định tùy thuộc vào vận tốc di chuyển, ngƣời ta gọi đó là hiệu ứng Doppler. 1 Để giải quyết đƣợc vấn đề tăng tốc độ và độ tin cậy truyền tin, hiện đã và đang dùng hai kỹ thuật chính, đó là phân tập thời gian và phân tập tần số. Phân tập thời gian dựa vào những thông tin đƣợc phát lặp lại ở bên phát còn phân tập tần số dựa trên cơ sở phát lặp ở những dải tần khác nhau. Tuy vậy, cả hai giải pháp đó đều gây nên sự lãng phí về tốc độ truyền cũng nhƣ băng tần. Một giải pháp kỹ thuật khác đã khắc phục đƣợc phần nào những khuyết điểm của hai kỹ thuật trên, đó là phân tập không gian hay còn đƣợc gọi là phân tập ăng-ten. Phƣơng pháp này sử dụng những thông tin phát ở nhiều ăng-ten khác nhau mà không ảnh hƣởng đến sự vi phạm về dải tần cũng nhƣ tốc độ truyền thông tin. Tƣơng tự nhƣ bên phát, tại bên thu cũng có thể sử dụng nhiều ăng-ten để “gom lại” tối đa những thông tin thu đƣợc để quyết định giải mã những thông tin đã phát. Hệ thống sử dụng nhiều ăng-ten phát và nhiều ăng-ten thu đƣợc gọi là hệ thống MIMO - hệ thống nhiều lối vào - nhiều lối ra (Multi-Input Multi-Output). Hiện nay, hệ thống thông tin vô tuyến đặc biệt truyền thông đa phƣơng tiện tốc độ cao trên các kênh vô tuyến fading ngày càng tăng đòi hỏi nhiều kĩ thuật mới ra đời đáp ứng đƣợc nhu cầu của ngƣời sử dụng.Các kỹ thuật truyền nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) với nhiều ăng-ten đƣợc trang bị ở máy phát và máy thu là những giải pháp đầy triển vọng. Trong kĩ thuật truyền dẫn MIMO, cả máy phát và máy thu vô tuyến đƣợc trang bị nhiều ăng-ten, từ đó hình thành các hệ thống MIMO đƣợc gọi là kênh MIMO. Ƣu điểm nổi bật của hệ thống MIMO là dung năng kênh tăng tuyến tính với số lƣợng ăng-ten truyền đƣợc chứng minh bởi Foschini và Tetalar. Để khai thác ƣu điểm của hệ thống MIMO, ba chiến lƣợc truyền dẫn MIMO chính đƣợc các nhà nghiên cứu thế giới đề xuất đó là: Truyền dẫn sử dụng mã khối không thời gian (STBC) để cải thiện chất lƣợng truyền tin, giảm tỉ lệ lỗi bit của hệ thống Truyền dẫn sử dụng ghép kênh theo không gian để tăng tốc độ truyền tin Truyền dẫn tổ hợp đồng thời cả ghép kênh theo không gian và mã hóa không thời gian nhằm tăng tốc độ và độ truyền tin cậy. Tuy nhiên các hệ thống MIMO đều gặp phải một số vấn đề nhƣ Can nhiễu giữa các kênh (ICI), là do sự chồng chuỗi thông tin độc lập đƣợc truyền bởi nhiều ăng-ten phát đồng bộ giữa các ăng-ten, đại diện cho các giả định cơ sở cho không-thời gian và trễ phân tập giữa các phƣơng pháp mã hóa; Cần thiết nhiều chuỗi tần số vô tuyến cần thiết để truyền tải tất cả các tín hiệu đồng thời Trong 2 những năm trở lại đây Mesleh đã giới thiệu một khái niệm mới là điều chế không gian (SM) nhằm khắc phục những vấn đề trên của hệ thống MIMO trƣớc đó. Trong hệ thống MIMO-SM, bộ phát chỉ kích hoạt một ăng-ten phát trong một chu kì tín hiệu và phát đi tín hiệu điều chế bằng các kĩ thuật điều chế truyền thống nhƣ BPSK hay QAM. Do chỉ có một tín hiệu đƣợc phát đi trong mỗi chu kì bit nên vấn đề ICI đƣợc giải quyết. Vì vậy, bộ tách sóng ML độ phức tạp thấp có thể thực hiện đƣợc tại máy thu. Ý tƣởng về điều chế không gian khá mới mẻ mà khắc phục đƣợc nhiều nhƣợc điểm của hệ thống MIMO lại làm giảm độ phức tạp tại bộ thu vẫn tăng dung năng kênh mà không cần tăng băng thông. Tuy nhiên, điều chế không gian vẫn có thể chịu ảnh hƣởng nhất định do hiện tƣợng fading gây ra. Chính vì thế tác giả chọn nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của kênh fading lên điều chế không gian làm đề tài nghiên cứu, qua đó có thể phần nào đƣa ra các giải pháp phù hợp để giảm các ảnh hƣởng này. Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu mô hình hệ thống MIMO-SM, và ảnh hƣởng của kênh fading lên hệ thống MIMO-SM. Nhiệm vụ nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết về thông tin vô tuyến MIMO - Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập - Nghiên cứu kỹ thuật về điều chế không gian - Nghiên cứu các mô hình kênh và ảnh hƣởng của kênh fading - Mô phỏng điều chế để đƣa ra tỉ lệ lỗi bit. Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu, tác giả xin trình bày những nội dung đã nghiên cứu đƣợc trong luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng I: Tổng quan hệ thống MIMO và điều chế không gian Chƣơng II: Các mô hình kênh truyền vô tuyến Chƣơng III: Mô phỏng đánh giá ảnh hƣởng của kênh fading tới điều chế không gian 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO VÀ ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN 1.1 Các hệ thống thông tin không dây Truyền thông không dây đã trải qua một sự thay đổi đáng kể trong những năm gần đây. Ngày càng có nhiều ngƣời đang sử dụng các dịch vụ truyền thông hiện đại, do đó tăng nhu cầu về khả năng truyền tải nhiều hơn. Do băng thông là một nguồn tài nguyên hạn chế, nên nhu cầu về công suất truyền tải cao phải đƣợc đáp ứng bằng cách sử dụng tốt hơn băng tần số hiện tại và điều kiện kênh. Một trong những đột phá về kỹ thuật gần đây, có khả năng cung cấp tốc độ dữ liệu cần thiết, là việc sử dụng nhiều anten ở cả hai đầu kết nối. Các hệ thống này đƣợc gọi là hệ thống không dây đa đầu vào đa đầu ra (MIMO). Các nghiên cứu lý thuyết ban đầu từ Foschini và Telatar, cũng nhƣ các công trình tiên phong khác đã cho thấy tiềm năng của các hệ thống nhƣ vậy. Các hệ thống MIMO có khả năng đạt thông lƣợng cao hơn mà không tăng băng thông hoặc công suất truyền. Rõ ràng là hệ thống MIMO đã đạt đƣợc độ lợi về tốc độ truyền và độ tin cậy kèm theo chi phí tính toán cao hơn. May mắn thay, các mạch tích hợp với công suất tính toán cao đã ra đời đáp ứng đƣợc các yêu cầu thực hiện các thuật toán xử lý tín hiệu cần thiết. Có hai độ lợi có thể thu đƣợc các hệ thống MIMO. Chúng đƣợc gọi là độ lợi phân tập (diversity gain) và độ lợi do hợp kênh không gian (spatial multiplexing gain). Trƣớc hết khảo sát độ lợi phân tập, hãy xem xét hệ thống một lối vào một lối ra (SISO) nhƣ trong hình 1.1. Hình 1.1 Hệ thống SISO [2] 4 Tùy thuộc vào môi trƣờng xung quanh khi truyền thông không dây, tín hiệu radio truyền thƣờng lan truyền qua một số đƣờng khác nhau trƣớc khi nó đến máy thu và đƣợc gọi là truyền đa đƣờng. Tín hiệu vô tuyến thu đƣợc bởi ăng ten thu sẽ bị chồng chéo của nhiều kênh khác nhau. Nếu là đƣờng truyền không nhìn thẳng (LOS) giữa máy phát và máy thu, thì các hệ số suy hao tƣơng ứng với các đƣờng dẫn khác nhau thƣờng đƣợc giả thiết là độc lập và phân bố đồng nhất (iid). Trong trƣờng hợp này, định lý giới hạn đƣợc áp dụng và đƣờng truyền dẫn có thể đƣợc mô hình hóa nhƣ là một biến phức Gauss (có pha phân bố đồng đều và biên độ phân bố Rayleigh). Do đặc tính thống kê, độ lợi kênh có thể đôi khi trở nên rất nhỏ nên không phải lúc nào cũng đáng tin cậy có thể truyền đƣợc tín hiệu. Để đối phó với vấn đề này, các kỹ thuật phân tập đƣợc sử dụng để có độ lợi phân tập. Độ phân tập càng cao càng cao, thì xác suất độ lợi kênh càng thấp. Một số kỹ thuật phân tập phổ biến là phân tập thời gian và phân tập tần số, trong đó các thông tin đƣợc truyền “lặp” trong các khoảng thời gian và các dải tần số. Phân tập không gian giả định rằng các thông tin đƣợc truyền “lặp” giữa các điểm trong không gian. Khái niệm về phân tập không gian dẫn trực tiếp đến việc mở rộng hệ thống SISO. Đầu tiên với hệ thống một đầu vào nhiều đầu ra (SIMO). Trong một hệ thống nhƣ vậy, thiết bị thu có nhiều antenna để có thể đạt đƣợc hiệu suất đáng kể, nghĩa là độ dự phòng liên kết (link budget) tốt hơn, nhƣng cũng kháng lại nhiễu đồng kênh tốt hơn. Tại máy thu, các tín hiệu đƣợc kết hợp (tức là nếu các pha của truyền dẫn đƣợc biết) và có đƣợc độ lợi phân tập do các đƣờng dẫn tín hiệu fading độc lập tƣơng ứng với các ăngten khác nhau . Ý tƣởng nổi tiếng này đã đƣợc sử dụng trong nhiều hệ thống truyền thông, ví dụ nhƣ trong hệ thống điện thoại di động toàn cầu (GSM). Rõ ràng rằng, một trạm cơ sở (BS) có thể cải thiện độ tin cậy và cƣờng độ tín hiệu đƣờng lên mà không cần thêm bất kỳ chi phí, điện năng tiêu thụ nào vào thiết bị di động (MS). Nếu phía máy phát cũng đƣợc trang bị nhiều ăng-ten, xuất hiện hệ thống nhiều đầu vào một đầu ra (MISO) - hình 1.2. Khi máy phát biết đƣợc thông tin kênh truyền, dung lƣợng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten phát. 5 Hình 1.2: Hệ thống MISO [2] Rất nhiều nghiên cứu đã đƣợc thực hiện trong những năm gần đây để khai thác hiệu suất có thể đạt đƣợc về độ lợi phân tập phát - hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO). Các cách để đạt đƣợc hiệu suất dự đoán độ lợi phân tập phát là khác nhau với các khái niệm mã không gian-thời gian (STC). Bên cạnh những ƣu điểm do phân tập không gian trong các hệ thống MIMO, các hệ thống MIMO cũng có thể đạt đƣợc độ lợi đáng kể về tốc độ thông tin hoặc dung lƣợng thông tin [2]. Điều này liên quan đến độ lợi hợp kênh nói trên. Trên thực tế, lợi thế của MIMO là cơ bản hơn rất nhiều mà nó có thể đã xuất hiện cho đến nay. Bản chất toán học cơ bản của các hệ thống MIMO, là dữ liệu đƣợc truyền qua ma trận kênh chứ không phải là một vector kênh. Ban đầu [1] chỉ ra với một cách nào đó, trong một điều kiện cụ thể nào đó có thể truyền một số luồng dữ liệu độc lập đồng thời qua ma trận kênh mode giá trị riêng đƣợc tạo bởi một số anten truyền và nhận. Các độ lợi có thể đạt đƣợc bởi một hệ thống MIMO so với SISO có thể đƣợc mô tả chặt chẽ bởi lý thuyết thông tin. Rất nhiều nghiên cứu trong khu vực của các hệ thống MIMO và STC dựa trên khuôn khổ toán học này đƣợc giới thiệu bởi Shannon [3]. Kết quả cơ bản của truyền thông không có lỗi dƣới một tốc độ cụ thể (phụ thuộc vào tỷ lệ công suất tín hiệu-công suất nhiễu thực tế) với giới hạn mã chiều dài vô hạn cũng nằm trong trƣờng hợp của MIMO là giới hạn trên cho tất cả các cơ chế truyền thông. Nó có thể đƣợc sử dụng nhƣ là một tiêu chí thiết kế cho các chƣơng trình truyền dẫn cũng nhƣ để so sánh các hệ thống truyền thông MIMO khác nhau. Trên hết, mong muốn tăng tốc độ dữ liệu và hiệu suất của các liên kết không dây bởi công nghệ MIMO đã đƣợc chứng minh 6 rất hứa hẹn rằng MIMO là nền tảng của nhiều hệ thống truyền thông không dây trong tƣơng lai [4]. 1.2 Hệ thống MIMO 1.2.1 Mô hình MIMO Xét một mô hình truyền thông đơn ngƣời dùng và một liên kết điểm-điểm, tại đó máy phát đƣợc trang bị nT anten và máy thu sử dụng nR anten (xem hình 1.3). Bên cạnh giả định ngƣời dùng duy nhất với mô tả nhƣ liên kết điểm-điểm, chúng ta giả sử rằng không có nhiễu giữa các biểu tƣờng (ISI). Điều này ngụ ý rằng băng thông của tín hiệu truyền là rất nhỏ và có thể đƣợc giả thiết là tần số phẳng (hay giả thiết băng hẹp), sao cho mỗi đƣờng dẫn tín hiệu có thể đƣợc biểu diễn bởi một hệ số độ lợi kênh phức. Nhìn một cách thực tế, mô hình kênh tần số phẳng là mô hình kênh có băng thông của hệ thống nhỏ hơn nghịch đảo của độ trễ trải của kênh; Do đó một hệ thống băng rộng hoạt động với độ trễ trải khá nhỏ và đôi khi cũng có thể đƣợc coi là tần số phẳng [7, 8]. Nếu kênh có tần số chọn lọc, ngƣời ta có thể sử dụng hệ thống OFDM (hợp kênh phân chia tần số trực giao), để biến kênh MIMO thành một tập hợp các tần số phẳng song song. Hình 1.3: Kênh MIMO với NT anten phát và NR anten thu [2] Ngoài các hạn chế này, chúng ta sẽ tiếp tục giả định, rằng hệ thống hoạt động bất biến thời gian. Những giả định này cho phép chúng ta sử dụng các tín 7 hiệu băng hẹp, băng cơ sở (baseband) có tiêu giá trị phức có thể đƣợc viết dƣới dạng rời rạc (bỏ qua sự phụ thuộc vào thời gian). Đặt hi;j là độ lợi đƣờng truyền phức (giá trị phức) từ anten phát j đến anten thu i (hiệu ứng fading). Nếu tại một thời điểm nhất định thì tín hiệu có giá trị phức đƣợc phát qua nT anten tƣơng ứng, tín hiệu thu đƣợc tại anten i có thể đƣợc biểu diễn bằng (1.1) Với ni là ồn cộng tính, sẽ đƣợc xem xét sau. Mối liên hệ tuyến tính này có thể dễ dàng đƣợc viết trong một khuôn khổ ma trận. Nhƣ vậy, hãy đặt s là một vector có kích thƣớc nT chứa các giá trị đƣợc truyền, và y là một vector của kích thƣớc nR chứa các giá trị đã nhận, tƣơng ứng. Chắc chắn, và . Hơn nữa, nếu định nghĩa ma trận kênh H nhƣ (1.2) Biểu thức trên biểu thị sự truyền tải chỉ trong khoảng thời gian một biểu tƣợng, nhƣng dễ dàng thích nghi với trƣờng hợp một số liên tiếp các biểu tƣợng đƣợc truyền (ở đây, L biểu thị tổng số biểu tƣợng đƣợc sử dụng để truyền) qua kênh. Vì vậy, sắp xếp các vector truyền, nhận và nhiễu theo dạng ma trận Vậy 8 Chúng ta có (1.3) Vector ồn đƣợc giả thiết là biến ồn ngẫu nhiên trắng phân bố Gauss với trung bình zero, phƣơng sai Trong đó cả phần thực lẫn phần ảo vì thế đƣợc coi là hàm mật độ xác suất Gauss đa tốc độ, giá trị phức. 1.2.2 Các rằng buộc công suất Theo lý thuyết, công suất phát trung bình trên mỗi nT anten phát của hệ thống hệ thống MIMO có thể đƣợc viết bằng (1.4) 9 Với Es công suất phát tại mỗi anten, hơn nữa Es biểu diễn năng lƣợng biểu tƣợng tức là (với j là chỉ số thời gian gửi biểu tƣợng), với mong muốn gửi dãy biểu tƣợng (theo j) để đạt năng lƣợng trung bình. Có 3 ràng buộc công suất đối với lý thuyết truyền dẫn MIMO [5] có thể đƣợc viết nhƣ sau: với i = 1, 2, … , nT và k = 1, 2, …, L tính ràng buộc năng a) lƣợng biểu tƣợng, không tính năng lƣợng trung bình tại các anten phát. với i = 1, 2, … , nT tính ràng buộc năng lƣợng trung b) bình theo thời gian, không ràng buộc theo không gian. ràng buộc năng lƣợng trung bình theo cả thời c) gian lẫn không gian. Vì trong hầu hết các phép toán tính hiệu năng muốn lấy biểu thức hoặc đƣờng cong phụ thuộc vào SNR tại anten nhận do đó SNRk đƣợc tính tại anten k thu bất kỳ. Do công suất phát tổng cộng là nT Es qua kênh có độ lợi kênh trung bình bằng 1 và công suất ồn tổng cộng là tại mỗi anten thu do vậy tỷ số công suất tín hiệu trên công suất ồn của một anten là . Điều này có khía cạnh không tích cực – mâu thuẫn là tổng công suất phát (hay SNR thu) phụ thuộc vào số anten phát. Nhƣ vậy nếu chuẩn hóa công suất phát theo số anten phát nT thì sẽ loại bỏ đƣợc mâu thuẫn này. Do vậy mô hình truyền thông hệ thống MIMO đƣợc biểu diễn: (1.5) Có 3 ràng buộc của mô hình truyền dẫn MIMO đƣợc đƣa ra - Độ lợi kênh trung bình 10 - Công suất phát trung bình - Công suất ồn trung bình Nếu các hạn chế này đƣợc thực hiện đầy đủ, thì hệ số sẽ độc lập với số anten phát 1.2.3 Dung lượng kênh MIMO Dung lƣợng kênh MIMO đƣợc xác định với giả thiết ma trận kênh H đƣợc xác định. Các hiểu biết về kênh tại máy thu có thể đƣợc thực hiện nhờ các chuỗi huấn luyện, bám sát. Tuy nhiên môi trƣờng thay đổi theo thời gian làm khó khăn cho hiểu biết chính xác về ma trận kênh H. Theo lý thuyết thông tin [6], dung lƣợng kênh MIMO đƣợc xác định dựa trên thông tin tƣơng hỗ giữa tín hiệu lối vào s và tín hiệu lối ra y viết là I(s,y) bởi biểu thức: (1.6) Do (1.7) Trong đó đƣợc coi là hàm khối xác suất kết hợp còn là hàm khối xác suất của s và y. Mặc khác và . Do entropy của đại lƣợng rời rạc x đƣợc viết (1.8) 11 Trong đó nếu logarithm dựa trên cơ số 2 thì entropy đƣợc biểu diễn dạng bít. Nhƣ vậy biểu thức (1.7) có thể đƣợc viết (1.9) Bởi vì y đƣợc xác định thông qua mô hình truyền dẫn MIMO tuyến tính, vector s và vector n độc lập tuyến tính, . Nếu ta có thể sử dụng đồng nhất . Vì vậy, Phƣơng trình (1.9) đơn giản để (1.10) Với giả thiết trên đây, H(n) có thể đƣợc tính bởi công thức: (1.11) Trong đó I là ma trận đơn vị. Ma trận đồng biến Cy của y thỏa mãn (1.12) Với Cs là ma trận đồng biến của s Nhƣ vậy, thông tin tƣơng hỗ I(s,y) đƣợc tính bởi (1.13) Dung lƣợng kênh MIMO đƣợc tính bởi biểu thức (1.14) Nếu kênh H đƣợc máy phát biết trƣớc thì ma trận tƣơng quan Cs có thể đƣợc lựa chọn để tối đa hóa dung lƣợng kênh đối với kênh lí tưởng cho trước. Công cụ chính để thực hiện tối đa hóa này là kỹ thuật thƣờng đƣợc gọi là “water-filling" 12